Documento técnico
Migração para um Data Center de alta velocidade: Questões
relacionadas a infraestrutura, principais tendências e recomendações
Conteúdos
Introdução 3
Mudar a arquitetura de rede 3
Padrões de evolução 3
Opções de migração 5
Links de 40G ou de 25G? 5
Esquemas de modulação 5
Tecnologia de transceivers 5
Transmissão paralela ou serial? 5
Cabos pré-terminados ou terminados em campo? 5
Monomodo, multimodo ou multimodo wideband? 6
Sistemas inteligentes 6
O olhar da CommScope 6
Conclusões 7 .
Introdução
No Data Center, a velocidade é tudo. O desafio é poder olhar para a frente e saber para o que é preciso estar preparado —
em um futuro imediato e um pouco alem— e traçar a rota para o futuro mais rápida e mais flexível. Quanto mais rápido as
tecnologias disponíveis e os padrões aplicáveis evoluem, mais difícil o trabalho se torna.
As tendências recentes em matéria de Data Center preveem que os requerimentos de largura de banda continuarão crescendo entre 25 % e 35 % por ano. Um impacto fundamental deste crescimento sustentado é a mudança por maiores velocidades de comutação. De acordo com um estudo recente realizado pela Dell’Oro, a receita por switch Ethernet continuarão crescendo até o final da década, com a maior quantidade de vendas previstas para portas de 25G e 100G.1
A receita por portas de 40G provavelmente atingiram seu pico mais alto e agora começarão a declinar a favor das portas de 25G e de 50G. As portas de 40G são utilizadas de forma intensiva para conectividade de servidores hoje em dia, com portas QSFP de 40G que suportam quatro conexões de servidor de 10G. No entanto, os servidores estão evoluindo rapidamente e os novos designs passarão facilmente a consumir muito mais do que o que um link ascendente de 10G pode oferecer.
A mudança para velocidades de 25G está já começou faz tempo e os switches que implementam velocidades de 25G se tornaram cada vez mais comuns. Espera-se que as capacidades das velocidades continuem se duplicando, até atingir os 100G no ano 2020, permitindo o avanço da próxima geração de links de alta velocidade para switches de estrutura (fabric switches). Certos fatores estão motivando que as velocidades de transferência nos centros de dados disparem.
• As densidades dos servidores estão crescendo aproximadamente 20 % por ano.
• As capacidades do processador estão crescendo; a Intel recentemente anunciou a fabricação de um processador de 22 núcleos.
• A virtualização da densidade está aumentando em 30 %2, o que está impulsionando as velocidades dos links ascendentes para os switches.
• O tráfego de leste a oeste dentro do Data Center (entre servidores) superou amplamente o volume do tráfego de norte a sul (quer dizer, entre o Data Center e o exterior, a rede em geral).3
“A ideia de avançar para ir além está impulsionando as velocidades para velocidades de 25 Gb/seg., tanto quanto as novas gerações de switches da Ethernet, então aumenta para velocidades de até 50 Gb/ seg e depois para pistas de até 100 Gb/ seg., então a ideia é limitar o número de pistas a apenas oito”.
— The Next Platform, março de 2016
O design da rede tem que refletir este aumento massivo do tráfego e, o que é mais importante, tem que permitir que as capacidades da rede, de armazenamento e do servidor aumentem de forma independente e que se provoque a mínima interrupção possível e a menor quantidade de tarefas de reconfiguração possível. Como resultado disso, os profissionais do Data Center devem oferecer suporte para possibilitar maiores densidades de servidor, implementar mais fibras e acelerar os planos de migração para velocidades mais altas em suas redes de núcleo e de acréscimo. A infraestrutura de rede dentro do Data Center deve ser capaz de crescer para suportar estas mudanças tão significativas.
Mudar a arquitetura de rede
As mudanças no tráfego e na direção do Data Center requerem um design de rede que se adapte ao rápido crescimento do tráfego de dados de leste a oeste. “A adoção de arquiteturas de rede tais como “spine” e “leaf”… está impulsionando não só a demanda de largura de banda, mas também o crescimento da rede, o que requer uma maior quantidade de fibras para a infraestrutura de cabeamento”.
— Data Center Journal, 25 de abril de 2016 As arquiteturas de centros de dados tradicionais usavam uma topologia de três camadas, como a que se mostra na Figura 2. A camada do núcleo, tipicamente localizada na área de distribuição principal (MDA), é onde se conectam entre si os vários switches de rede, assim como com as fontes da rede fora do Data Center.Esta camada alimenta a camada de acréscimo, conectando os vários switches de acesso. Nos grandes centros de dados corporativos ou no cloud, a camada de acréscimo se localiza geralmente na área de distribuição intermediária (IDA). Nas instalações menores se encontra tipicamente na área de distribuição horizontal (HDA) ou área de distribuição dos switchs (EDA). A camada de acesso corre a partir do Data Center até os nodes individuais, onde os usuários se conectam à rede.
O design deste modelo oferece uma base previsível para uma rede de Data Center com capacidade de expansão, mas não resulta tão ideal quando se trata de incluir as atuais aplicações virtualizadas, de baixa latência. Como resultado disso, houve uma mudança e um drástico deslocamento para a arquitetura do tipo “leaf-and-spine”.
Camada do núcleo Camada de agregaçãoo Camada de acesso N ort e S ul Arquitetura tradicional
Camada Core tipo “spine”
Camada Borda tipo “leaf”
Ilustrado na Figura 3 se vê o modelo do tipo “leaf and spine”; este é um design de rede altamente agilizado que mobiliza os dados em um fluxo de leste a oeste, no interior do Data Center, permitindo que os servidores cooperem com o funcionamento das aplicações baseadas em cloud. Nesta topologia, as redes se distribuem ao longo de múltiplos switches do tipo “leaf”, fazendo com que a camada dos switch do tipo “leaf-and-spine” seja crítica para oferecer um máximo crescimento e performance.
Cada switch “leaf” se conecta com cada switch “spine”, criando uma estrutura multidirecional altamente resistente. A trama de links de fibra cria um recurso de rede de alta capacidade ou “fabric” (rede de tipo estrutural) que é compartilhada com todos os dispositivos anexos. Todas as conexões dentro de tal estrutura correm com a mesma velocidade. Quanto maior for a velocidade, maior é a capacidade da estrutura.
As redes do tipo “fabric” requerem um maior número de conexões de fibra, particularmente na camada do switch. Os fornecedores de switch trabalham incansavelmente para aumentar a densidade de seus cartões de linha para se manterem atualizados com os avanços.
Dada a crescente densidade, a conectividade do cabeamento e as soluções de gestão tais como os marcos de distribuição óptica, painéis e condutos se tornam mais importantes.
Padrões em evolução
As organizações encarregadas de emitir os padrões das aplicações, quer dizer: IEEE 802.3 (Ethernet) e ANSI/T11 (Comitês de Canais de Fibra) estiveram muito ocupadas atualizando as pautas recomendadas para se manterem atualizadas com o rápido aumento da largura de banda. O objetivo destes grupos encarregados de emitir os padrões não é simplesmente facilitar a evolução das taxas por linha em contínua evolução. Também incentivam o desenvolvimento de aplicações de mais alta velocidade que aumentarão a efetividade quanto aos custos dos links entre os switch do Data Center. Com este objetivo, está se desenvolvendo certa quantidade de velocidades intermediárias para preencher a brecha entre os 10G, 40G, 100G e 400G. A Tabela 1 lista os vários padrões quanto à Ethernet. Aqueles ainda em processo são detalhados de azul-turquesa.
TABELA 1— IEEE 802.3 PADRÕES DE FIBRA PARA ETHERNET — COMPLETADOS E EM PROGRESSO (AZUL-TURQUESA)
Aplicação Padrão Referência IEEE Meio Velocidade Distância alvo
Ethernet 10-Gigabits 10GBASE-SR 802.3ae MMF 10 Gb/s 33 m (OM1) a 550 m(OM4) 10GBASE-LR SMF 10 km 10GBASE-LX4 MMF 300 m 10GBASE-ER SMF 40 km
10GBASE-LRM 802.3aq MMF 220 m (OM1/OM2) a 300 m (OM3)
Ethernet 25-Gigabits 25GBASE-SR P802.3by MMF 25 Gb/s 70 m (OM3) 100 m (OM4)
Ethernet 40-Gigabits 40GBASE-SR4 802.3bm MMF 40 Gb/s 100 m (OM3) 150 m (OM4) 40GBASE-LR4 SMF 10 km 40GBASE-FR SMF 2 km 40GBASE-ER4 SMF 40 km Ethernet 100-Gigabits 100GBASE-SR10 MMF 100 Gb/s 100 m (OM3) 150 m (OM4) 100GBASE-LR4 SMF 10 km
100GBASE-SR4 SMF 70 m (OM3) 100 m (OM4)
100GBASE-ER4 SMF 40 km 50G, 100G y 200G 50GBASE-SR 802.3cd MMF 50 Gb/s 100 m (OM4) Ethernet SMF 2 km 50GBASE-LR SMF 10 km 100GBASE-SR2 MMF 100 Gb/s 100 m (OM4) 100GBASE-DR2 SMF 500 m 100GBASE-FR2 SMF 2 km 200GBASE-SR4 MMF 200 Gb/s 100 m (OM4) Ethernet 200-Gigabits 200GBASE-DR4 P802.3bs SMF 500 m 200GBASE-FR4 SMF 2 km 200GBASE-LR4 SMF 10 km Ethernet 400-Gigabits 400GBASE-SR16 MMF 400 Gb/s 70 m (OM3) 100 m (OM4) 400GBASE-DR4 SMF 500 m 400GBASE-FR8 SMF 2 km 400GBASE-LR8 SMF 10 km
Opções de migração
A discussão em torno da migração para taxas de linha mais altas é complexa e ao mesmo tempo está mudando rapidamente. Inclui uma ampla gama de decisões com relação ao tipo de fibra, aos esquemas de modulação e transmissão, às configurações dos conectores e, claro, as considerações quanto a custos. As Figuras 4 e 5 mostram duas possíveis rotas de migração, mas existem muitas outras. Determinar qual é a melhor para um determinado ambiente significa considerar cada aspecto cuidadosamente.
A seguir, estes são apenas uns poucos aspectos que devem ser avaliados.
Figura 4: Link de fibra dúplex 10GBASE-SR com troncais MPO
Figura 5: Link 40GBASE-SR4 com ópticas paralelas em switch e servidor
Links de 40G ou de 25G?
Há até pouco tempo, a possível rota de migração aceitada especificava um salto estimado de pistas de 10G às de 40G. Desde a aprovação da norma IEEE 802.3by, a indústria mudou para as pistas de 25G como a próxima tecnologia de comutação. Isto se deve principalmente ao fato de que as pistas de 25G mais modernas, que oferecem uma fácil migração para 50G (2x25G) e 100G (4x25G), fornecem uma melhor recuperação dos investimentos que a migração para os 40G.
Esquemas de modulação
Os esquemas de modulação mais eficientes agora também estão disponíveis. Propôs-se a modulação por amplidão de pulsos com quatro níveis de amplidão (PAM-4), tanto para os links ópticos dentro do Data Center quanto para aqueles entre centros de dados. Como se mostra na Figura 6, a PAM-4 é uma técnica de modulação que usa quatro amplidões de pulso diferentes para transmitir dados. Comparado com a transmissão digital de dados NRZ tradicional (modulação binária), a PAM-4 permite o dobro da capacidade de transmissão para a mesma velocidade de sinalização. A contraparte, no entanto, é que requer uma relação sinal-ruído (SNR) de maior magnitude, o que significa requerimentos mais estritos sobre a infraestrutura física de base. Mesmo assim, sua simplicidade e baixo consumo de energia faz da modulação PAM-4 uma das técnicas de modulação mais prometedoras para os 100G e mais.
Figura 6: Modulação PAM4 e NRZ
Tecnologia de transceivers
Além de desenvolver esquemas de modulação mais avançados para aumentar as velocidades de vários canais, estão se desenvolvendo várias técnicas de divisão por multiplexação de onda (WDM) para aumentar a quantidade de pistas, ou comprimentos de onda transmitidas sobre cada fibra. Usou-se WDM por mais de duas décadas para aumentar as taxas de dados sobre redes de longa distância ao reduzir a quantidade de fibras. Também se usou em aplicações de Ethernet monomodo, tais como 10GBASE-LR4 e 100GBASE-LR4, que combinam quatro comprimentos de onda sobre a mesma fibra usando tecnologia CWDM (Multiplexação por Divisão de Comprimentos de Ondas Ligeiras). Este concepto também se estendeu até as fibras multimodo através do que é conhecido como WDM de onda curta ou SWDM. Como se mostra na Figura 7, a SWDM utiliza comprimentos de onda de 850 nm a 940 nm.
Figura 7: SWDM que combina quatro comprimentos de onda de 850 nm a 940 nm
Transmissão paralela ou serial?
Como as aplicações mais exigentes geram taxas de dados mais altas, o mercado está se direcionando para as ópticas paralelas. Esta tendência se vê respaldada pela demanda constante de conexões troncais baseadas em MPO, a essência do Data Center por mais de uma década. Ao usar fibras multimodo otimizadas para laser (LOMMF), as ópticas seriais podem suportar de forma rentável velocidades de até 10G. Mas, historicamente, o uso de transmissão serial para suportar a migração para 25G ou 40G requeria mudar para soluções monomodo mais caras. As ópticas paralelas, no entanto, não fornecem uma solução mais rentável para a migração para 40G, 100G e Ethernet de 200/400G.
A mudança para as ópticas paralelas é facilitado pelo uso de conectores MPO. Na América del Norte, estima-se que as vendas de conectores de fibra óptica MPO para links de comunicação de 40/100GbE aumentarão 15,9 % por ano daqui até 2020, chegando a US$126 milhões em 2020.4 No entanto, a tendência pelas ópticas paralelas pode ir e vir como a maré, à medida que se implementem novas tecnologias que melhorem o uso dos pares dúplex. Espera-se que as tecnologias como PAM4 e SWDM forneçam um suporte mais rentável para aplicações de centros de dados dúplex em um futuro próximo.
Cabos pré-terminados ou terminados em campo?
A necessidade de colocar em marcha os serviços de conexão de redes mais rapidamente aumentou o valor e a demanda de sistemas de cabeamento pré-terminados. Segundo algumas estimativas, a capacidade “plug-and-play” dos cabos pré-terminados se traduz em 90 % de economia de tempo vs. um sistema terminado no campo, e são aproximadamente 50 % mais rápidos quando se trata da manutenção da rede.5 O valor cresce à medida que aumenta o número de conexões de fibra dentro da rede.
Os sistemas terminados na fábrica são também a única solução viável frente aos sistemas de extrema baixa perda que se requerem para suportar links ópticos de alta velocidade. Entre as soluções pré-terminadas, a fibra MPO/MTP está se tornando cada vez mais no sistema de-facto tanto para conectividade monomodo quanto multimodo, devido à facilidade de uso e á MDA MDA IDA IDA HDA HDA Switch Ethernet Switch Ethernet Troncal WBMMF Troncal WBMMF Troncal WBMMF Troncal WBMMF Servidor Servidor
Monomodo, multimodo ou multimodo wideband?
O custo das ópticas conectáveis continua limitando a implementação de fibras monomodo (SMF) nos centros de dados. Embora as novas tecnologias e a eficiência na manufatura estejam ajudando a reduzir os preços das fibras SMF, ainda não é suficiente para justificar o alto custo das ópticas monomodo. Duas áreas no Data Center onde o uso das SMF está aumentando são da entrada das instalações à área de distribuição principal e, em grande escala, nos designes de mega centros de dados.
Para os centros de dados corporativos, a fibra multimodo (MMF) continua oferecendo o balanço mais atraente entre performance, densidade e custos. O desafio das fibras MMF é a distância. À medida que o tráfego de dados cresce e aumentam as velocidades de interconectividade, a distância máxima para um link de comunicação tende a diminuir. Mas os componentes emergentes de mais alta qualidade e os links projetados podem oferecer a capacidade por link para suportar distâncias mais longas e novas topologias do Data Center.
Figura 8: Comparação da largura de banda por fibra
A recente incorporação do OM5 pode fornecer, com o tempo, a melhor solução para a migração de fibras. Introduzido pela CommScope em 2015, o OM5 foi aprovado recentemente sob a norma ANSI/TIA-492AAAE e se espera que seja recomendado pela norma ANSI/TIA-942-B. A nova fibra melhora a capacidade da tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda curta (SWDM) para oferecer pelo menos um aumento por quatro da largura de banda utilizável. Também suporta todas as aplicações multimodo herdadas ao manter a compatibilidade com as fibras OM3 e OM4. Ao multiplexar quatro comprimentos de onda espalhadas em uma área de 850–950 nm, um filamento de WBMMF pode aumentar a capacidade de dados por um fator quatro. A Figura 8 mostra a comparação da largura de banda entre as fibras OM3, OM4 e OM4 de banda larga.
Sistemas inteligentes
Os sistemas de gestão de infraestrutura automatizada (AIM) podem prestar assistência da melhor maneira no processo de migração, oferecendo um mapeamento preciso da camada física e de todos os dispositivos conectados. Como os sistemas AIM monitoram e documentam de maneira automática todas as portas e fibras em uso, podem ajudar a assegurar que a capacidade esteja disponível quando se realiza uma melhoria trocando aplicações dúplex por paralelas.
De forma inversa, a AIM pode ajudar a identificar cabeamento e portas de comutação em excesso e colocá-los à disposição para uma migração de paralelo a dúplex. A norma ISO/IEC 18598, assim como a norma europeia EN 50667 para AIM, foram ratificadas em 2016 e o documento de ISO/IEC está sendo adotado quase ao pé da letra pela TIA como ANSI/TIA-5048.
O olhar da CommScope
As soluções de fibra pré-terminadas baseadas no MPO continuam sendo a melhor opção para redes de alta performance. Estes sistemas fornecem um excelente desempenho para cabos terminados em fábrica, mais a velocidade e a agilidade para cumprir com os requisitos de expansão dos centros de dados corporativos privados baseados no cloud.
O aumento da largura de banda de OM3 para OM4 é outro “requisito indispensável” das redes de alta capacidade de hoje. Das opções de MMF, o OM5 é a escolha mais moderna devido a que permite aumentar a capacidade prática do OM4 por um fator quatro. Também, a fim de aumentar a
densidade efetiva dos switchs de conexão de redes e a rede física subjacente, incentivamos o uso de SWDM dúplex para os links do tipo “fabric”.
Figura 9: Conectores MPO com variadas quantidades de fibras
Também pode haver um pouco mais de clareza no debate constante entre a tecnologia MPO de oito fibras, 12 fibras e 24 fibras. Os sistemas de 12 fibras MPO foram implementados durante anos. Suportam aplicações dúplex e paralelas com flexibilidade e alcance superiores para a maioria das aplicações de centros de dados. O benefício da uniformidade operativa poderia ser uma ótima justificativa para o uso contínuo deste mesmo sistema para aplicações futuras. Certamente o aumento da largura de banda de OM3 para OM4 e, em última instância, para OM5 significa um benefício para redes de maior capacidade no futuro.
Os sistemas de 24 fibras MPO, por outro lado, aumentam a densidade e a capacidade das redes físicas. Estes sistemas suportam aplicações dúplex e paralelas e oferecem os custos mais baixos por fibra em comparação com os sistemas de 8 fibras e de 12 fibras. Como resultado disso, este é o sistema recomendado para redes de alta densidade ou redes que incluem principalmente aplicações dúplex.
Os sistemas de 8 fibras MPO suportam as populares aplicações QSFP de quatro pistas que se usam predominantemente em configurações de 4X10G ou 4X25G para sistemas de armazenamento e interconexões de redes e servidores.
Os links de rede do tipo “fabric” não requerem interconexões com portas de velocidades menores. Portanto, os links dúplex de duas fibras como 100G SWDM são uma opção muito atraente. Estes links do tipo “fabric” de fibras dúplex se implementam com mais alta densidade, usando soluções de 12 fibras ou de 24 fibras.
Com o sistema de 24 fibras MPO como a implementação preferida, as soluções da CommScope suportam aplicações paralelas de 8 fibras e dúplex de 2 fibras, que possibilitam o funcionamento ótimo de uma ampla gama de aplicações dentro do Data Center. Os sistemas de 24 fibras MPO fornecem suporte otimizado tanto para aplicações dúplex quanto paralelas e podem fornecer custos mais baixos em geral, enquanto permitem o funcionamento de uma ampla variedade de aplicações ópticas futuras.
não especificado não especificado
Comparação largura de banda total
Equiv alen te lar gur a de banda Comprimento de onda (nm)
Conclusões
Apesar de ser importante compreender a ampla oferta de opções técnicas e soluções emergentes, estas devem ser avaliadas dentro do contexto do ambiente de Data Center específico de sua empresa. Qual é a trajetória de sua empresa? Como isso afeta a velocidade da mudança e os requisitos de crescimento em seu Data Center? Qual é o custo total de propriedade dos variados cenários de migração que estão sendo considerados?
Como gerente do Data Center, lembre: você não tem que fazer tudo isto sozinho. A quantidade de pesquisas e decisões que tudo isso envolve podem chegar a nublar sua mente. Existe uma variedade de recursos especializados postos à sua disposição, tal como os que a CommScope oferece, que tem as soluções e a experiência para ajudá-lo a tomar a decisão correta. Aproveitando ao máximo nossos conhecimentos técnicos e nossa ampla perspectiva, podemos ajudá-lo a desenvolver juntos uma estratégia de migração a longo prazo desenvolvida para fazer com que seu Data Center continue sendo flexível, apto e eficiente. Sem importar o quanto as coisas mudem rápido.
Fontes:
1 Construction Zones on the Ethernet Roadmap; The Next Platform; 24 de março de 2016 2 Data Center Strategies North American Enterprise Survey; Infonetics Research; Maio de 2015 3 Facebook Gives Lessons In Network-Datacenter Design; Novembro de 2014
4 Market Forecast—MPO Connectors in 40/100GbE; ElectroniCast Consultants; Dezembro de 2015
5 Weighing the costs and benefits of preterminated fiber-optic systems; Cabling Installation & Maintenance; 1° de maio de 2014 6 PAM-4: A Key Solution for Next-Generation Short-Haul Optical Fiber Links; Neophotonics, blog; 11 de maio de 2015
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